Design and performance of sulfur-resistant palladium-supported catalysts for methane oxidation using conventional and nanotechnological tools of preparation

Notre objectif a été atteint grâce à l'utilisation d'un support oxyde mixte produit par sol-gel. En effet, nos catalyseurs de palladium supporté sur un oxyde de silicium dopé au titane se sont révélés être résistants à l’empoisonnement au soufre et présentent des performances élevées pour la conversion du méthane.

En variant les quantités de TiO2, il a été montré que les performances atteignent un maximum pour une composition en masse de 10% TiO2. Les analyses structurelles et de surface ont montré que nos supports mixtes contiennent des liens Ti-O-Si. Nous pensons que ces liens sont responsables de l’activité accrue du catalyseur.

Par ailleurs, les catalyseurs contenant du titane présentent une tolérance supérieure vis-à-vis du SO2 lorsque celui-ci est ajouté aux réactifs ou que le catalyseur est exposé à une atmosphère de SO2 pur à 350°C pendant 15 heures. Nous avons mis en évidence par XPS que les sites Ti-O-Si sont également responsables de cette tolérance aux composés soufrés. Ceci est accompli par l'insertion du SO2 dans le support qui forme des liens soit Ti-O-SOx•••Si soit Si-O-SOx•••Ti. L’analyse XPS a également montré que sur le long terme, l’exposition au SO2 conduit à la formation d’une couche de PdSO4 de 18 à 20 Å. Étonnamment, les catalyseurs sont capables de récupérer entièrement leur activité initiale après ce traitement. Cette régénération se produit grâce à un mécanisme concerté avec le méthane permettant la décomposition totale du PdSO4. Par ailleurs, des études en présence d'eau ont montré que ces propriétés restent inchangées.

L'état du palladium a également été étudié et nous a permis de prouver qu’une activation/stabilisation du catalyseur est nécessaire. Celle-ci est réalisée en présence des réactifs par de légères modifications chimiques du support et de la phase de palladium. En effet, l'augmentation de l'activité du catalyseur a été corrélée avec une augmentation des quantités de Ti3+ et Pd0. La présence de palladium métallique dans le catalyseur semble être l'élément clé dans l'activation des liaisons C-H.

Enfin, nous avons étudié l'influence de la taille/la dispersion des particules de palladium sur la vitesse de réaction. L'utilisation de synthèses en phase liquide nous a permis de produire des solutions colloïdales de particules de palladium avec des tailles contrôlées. Cette étude a révélé que la combustion du méthane est une réaction sensible à la structure. Néanmoins, un meilleur contrôle de la forme des nanoparticules devrait être réalisé pour déterminer les facteurs structurels influençant la réaction./ The present work focuses on the development of highly efficient catalytic systems able to completely oxidize methane at low temperature in order to comply with modern environmental legislation. The main subject concerns the design of a new generation of palladium-based catalysts that are sulfur and water resistant.

Our goal was achieved through the use of a mixed oxide support produced by sol-gel. In fact, palladium-supported on titanium-doped silica catalysts have proven to be sulfur tolerant and exhibit high performances for the methane conversion.

Varying the amounts of TiO2 showed that the performance reached an optimum for a 10 wt.% TiO2 loading. According to the structural and surface analyses, the mixed oxides contained Ti-O-Si linkages, believed to be responsible for the better activity as compared to PdO supported on pure oxides.

Moreover, the titania-containing catalysts exhibited a superior tolerance towards SO2 when either adding it to the reactants or feeding it as a pure pretreatment atmosphere at 350°C (15 hour on stream). We evidenced using XPS that the Ti-O-Si sites are also responsible for the higher sulfur tolerance of the catalysts by the insertion of SO2 in the support forming either Ti-O-SOx•••Si or Si-O-SOx•••Ti. XPS analyses also evidenced that the long-term SO2-treatment leads to the formation of PdSO4 with a thickness of 18 to 20 Å. However, the catalysts can entirely recover their initial activity after this treatment. This regeneration was proven to be occurring through a concerted mechanism with methane leading to the total decomposition of PdSO4. Moreover, studies in presence of water showed that these properties remained unchanged.

The state of the palladium was also investigated and allowed us to evidence that an activation/stabilization of the catalyst is necessary. This is achieved in presence of the reactants by slight and subtle changes in both the support and the palladium phase. The increase of the catalyst activity was correlated with an increase of Ti3+ and Pd0 fractions. The presence of metallic palladium in the catalyst seems to be the key element in the activation of the C-H bonds.

Finally, we have studied the influence of the size/dispersion of the palladium particles on the reaction rate. The use of wet-chemistry synthesis allowed us to produce colloidal solutions of palladium with controlled particles sizes. This study revealed that the methane combustion is a structure sensitive or demanding reaction. Nevertheless, a better control of the shape of the nanoparticles should be achieved to determine the structural factor influencing the reaction.